建筑结构钢领域重点技术发展与布局☆

李娜; 贾筱景; 陈文娟; 宋德峰

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202305004

科学观察 ›› 2023, Vol. 18 ›› Issue (5) :17-25 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202305004

研究论文

建筑结构钢领域重点技术发展与布局^☆

李娜 ¹ ,
贾筱景 ² ,
陈文娟 ¹^,^* ,
宋德峰 ³

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Development and Distribution of Key Patent Technologies in the Field of Constructional Structural Steels

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摘要

[目的/意义] 近年来，钢结构建筑的飞速发展引发了对建筑结构钢技术领域的重点关注。对比总结该领域国内外机构的技术布局特征，可为我国的技术研发布局提供重要参考。[方法/过程] 利用专利分析与文献综述的方法，从专利申请态势、国内外优势机构及其重点技术等方面进行梳理，细致分析了建筑结构钢技术领域的总体发展趋势，包括优势机构的关键专利在建筑结构钢的组成结构及加工过程、功能性以及焊接方法等技术领域的发展轨迹。[结果/结论] 日本和韩国在该技术领域的实力更为突出，中国的研发起步较晚，特殊性能建筑结构钢的研发不足且技术分散，需加快建立多元化产业链，进一步拓展国际市场。

Abstract

[Objective/Significance] In recent years, it has aroused the key attention in the technical field of constructional structure steel industry with the rapid development of steel structure. [Method/Process] Using the methods of patent analysis and literature review, the overall development trend of the technical field of constructional structural steel was analyzed in detail from the aspects of patent application situation, advantageous institutions at home and abroad, and their key technology development. The contents of analysis mainly included the development track of the key patents of advantageous institutions in this field, such as compositions and structures, processing process, functionality and welding methods. Based on the obtained results, the technical characteristics of domestic and foreign institutions were compared and summarized, which may provide instructive inspirations for the technical R&D layout of related institutions in China. [Results/Conclusions] Japan and South Korea are outstanding in the technology, while the R&D started relatively late in China. The technology of special performance building structural steel is insufficient and scattered. It is necessary to accelerate the establishment of a diversified industrial chain，and expand international market furtherly.

Graphical abstract

关键词

建筑结构钢 / 专利分析 / 技术布局 / 发展轨迹

Key words

constructional structural steel / patent analysis / technical layout / development track

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李娜, 贾筱景, 陈文娟, 宋德峰. 建筑结构钢领域重点技术发展与布局^☆[J]. 科学观察, 2023, 18(5): 17-25 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202305004

Li Na, Jia Xiaojing, Chen Wenjuan, Song Defeng. Development and Distribution of Key Patent Technologies in the Field of Constructional Structural Steels[J]. Science Focus, 2023, 18(5): 17-25 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202305004

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1 引言

建筑业是国民经济的重要支柱产业之一，钢铁一直是经济建设中最重要且使用最多的功能材料^[1]，由于其结构具有强度高、自重轻、基础造价低、绿色环保、抗震性能好并可增加有效使用面积等优点，能解决大空间的复杂问题^[2⇓-4]。伴随着新技术和新材料的不断更新，轻型结构逐渐成为一种新的建筑类型^[5]，尤其是随着世界各国高层、超高层标志性钢结构建筑和大跨度钢结构建筑的建造快速增加，全球的建筑结构用钢技术发展突飞猛进^[6,7]。

早在上个世纪80年代，在我国地震区建筑用钢中其抗震性能就受到了关注，通过不断探索提高建筑用钢抗震性能的途径与措施，来消除地震区新建工程可能留下的隐患^[8]。近年来，我国高层钢结构建筑和大型钢结构场馆建设能力已进入世界前列，一些重大工程的建设为我国建筑结构用钢发展提供了良好的机会^[9,10]。钢铁企业为满足各行各业重要场馆建设的需求，加速建筑钢结构用厚板和高强钢等的开发^[11]，使建筑结构用钢在品种和质量上有了较快进步。

专利作为技术创新成果的重要载体，蕴含丰富的科技情报信息。对专利技术进行统计分析有助于把握技术的发展态势，为科研布局和战略规划提供依据和参考^[12]。本文通过对建筑结构钢领域的专利数据进行分析，从总体上揭示领域的发展趋势和重要力量，并从重要专利入手，对各技术分支进行梳理、分析、总结，根据不同时间段的技术分支状况，探索对比中外重点机构在该领域的技术发展路线特征，并在此基础上对我国建筑结构钢领域的发展提出思考和建议。

2 专利技术申请态势

从全球来看，建筑结构钢领域技术发展的萌芽阶段是1980年以前，此期间专利申请量增长缓慢，年申请不足20项；1980年至1990年为成长期，专利申请量从不足20项增长到1990年的近百项；1990年后可能受到了全球爆发的大规模经济危机影响，专利申请量突然下降，开始了一个短暂的调整期；1994年之后随着经济的复苏，该领域专利申请量激增，进入快速发展期，直至1998年全球申请量达186项；1999年起专利申请量保持稳定增长，进入成熟发展期（图1）。

该领域专利技术主要来自于日本、中国和韩国，三国专利量合计占全球该领域专利总量的80%，其中日本的专利量接近全球的一半（图2）。早期的专利申请基本都来自日本，且这种状况一直持续到2000年。虽然中国在该领域的专利总申请量可观，但其技术研发起步晚，较全球的发展阶段晚了20年左右。图1显示，2004年之前中国的专利申请一直处于萌芽期，年度专利申请量不足10项；2004至2011年为成长期，在此期间中国实施建设了一些特色钢结构的重大建筑工程，如城市标志性建筑上海的金茂大厦和环球金融中心、广州亚运会场馆、北京奥运场馆等，极大助力了中国建筑结构钢领域的技术成长，年度专利申请量有明显增长；在此基础上，2012年之后专利申请迎来了快速发展时期，这种势头一直持续至2017年，2018年起专利申请量稍有回落，但在全球范围内仍保持优势。

3 国内外优势机构重点技术发展路线

建筑结构钢领域技术集中度非常高，大多数专利集中在少数机构，尤其是日本的机构，日本制铁、杰富意钢铁以及住友金属工业等大型知名企业的专利申请占据全球份额的近一半。中国的总申请量较多，位居世界第二，但技术力量分布相对分散，与日本差距悬殊，中国排名第一的攀枝花钢铁其申请量仅约为日本排名第一的日本制铁的十分之一（图3）。从各国代表性优势机构的专利布局来看，所有国家的机构专利申请均以本国布局为主。但是，日本的日本制铁及杰富意钢铁以及韩国的浦项制铁在中国、美国、欧洲等国家或地区也有数量可观的专利布局。反观中国的机构，攀枝花钢铁和武汉钢铁仅在中国有专利布局，宝山钢铁和江苏沙钢在其他国家或地区仅有少量几项专利布局。在建筑结构钢领域抢占国际市场方面，中国机构还有较大的成长空间（图4）。

在该领域，优势机构的技术特点突出，根据专利涉及的IPC分类来看，与铁基合金主题相关的技术是主流，其次是在生产钢板或带钢时通过热处理来改变物理结构的相关技术，以及含锰、硅等的合金。同时，核心技术主要掌握在行业排名靠前的优势机构中。重要专利代表了技术发展的重要节点，本研究通过综合考虑专利被引频次、布局情况、同族数量、专利有效性等因素遴选重要专利，对优势机构——日本的日本制铁、杰富意制铁，韩国的浦项制铁，中国的攀枝花钢铁、武汉钢铁、宝山钢铁的重点专利进行分析，将其涉及的技术主题进一步细化为相应的技术分支，根据各技术分支的重点专利技术随时间的演变，探索中外重点机构在该领域的技术发展路线特征。

3.1 日本制铁与杰富意钢铁

成立于1934年的日本制铁是世界钢铁行业的十大名企之一，是建筑结构钢领域绝对的领头羊。杰富意钢铁株式会社也是世界上规模最大的钢铁公司之一，其多项技术代表世界钢铁行业的最高水平。两家机构的专利技术主要分布在三个方向：（1）组成结构及加工过程；（2）抗震、耐候、耐蚀等功能化方面；（3）焊接工艺、材料等。同时，不同发展阶段的技术重点不同（表1）。

日本制铁在组成结构技术方向上经历了元素组成种类由少到多、贵金属含量减少的过程，通过调整不同元素的配比且尽量减少贵金属用量来达到提升性能的效果；对组织体微结构的组成更加注重，通过调整其体积分数来实现性能的改变，如在2011年公开的技术中提及了高强钢中具有规定数量的贝氏体、岛状马氏体和铁素体珠光体的结构。在制钢形态方面，近年来的趋势为厚钢板、超厚H型钢，同时高强钢也获得了持续关注。同时，对加工过程的关注也逐渐趋向简单、低成本、大规模生产化（如短时间内生产，无需高温制钢技术和加速冷却等）。

日本制铁涉及功能性结构钢的专利数量最多，且主要侧重耐腐蚀钢材的研究。耐腐蚀结构钢的制备最初是镀石墨膜、陶瓷涂层等发展至镀锌钢、镀铝钢等，后续在镀层中不断加入新的元素（如硅、镁、铝、钙及钛、铬、铜、镍、锆、铌、钼等），同时避免使用对环境造成污染的六价铬。此外，近年来，关注对镀层进行表面处理，形成含树脂及交联剂等的表面涂层膜，提升耐腐蚀性，在此基础上也进一步关注了钢材本身的改变带来的影响。但是，在抗震钢方面的专利相对较少，主要是从添加元素及微结构的改变来实现具有低屈强比、高韧性、高强抗震钢。

日本制铁有关焊接方法的专利相对较少，主要涉及焊接工艺及焊丝，包括电弧焊、激光焊接、气体保护焊、复合焊等。近几年的重要专利体现在对焊丝的改进，逐渐向高强化、耐腐蚀、耐低温韧性、无缝焊接、混合气体保护焊接等靠近，以提供高强度、高镀层附着力、优良低温韧性和抑制溅射生产的完美焊缝，适应建筑行业的发展需要。

杰富意钢铁株式会社的技术布局与日本制铁很多方向类似，竞争较激烈。在组成结构及加工过程方面的重点技术包含了对建筑结构钢加工过程、微结构及元素组成的演变研究。尤其在加热过程及具体温度控制方面，从1999年至2020年，有多项重点技术涉及了不同温度下的制造方法。在元素组成相关重点技术中，杰富意由最初的含碳、氮、铝为基础，逐步发展出了含有硅、锰、钛，铬、镍、铌、钒、钼，以及硫、磷等元素的结构钢，不断赋予结构钢不同的性能，比如成形性、抗冲击性能、应变时效硬化性能、低屈强比、高强度、焊接热影响区韧性好、耐腐蚀性等，以满足日益发展的建筑工业用钢需求。对于结构钢的微结构，重点专利中的技术涉及了铁素体、马氏体、贝氏体、珠光体等，并对具体组成占比等做了说明，与元素组成及加工过程相结合，可以制备具有不同性能的建筑结构钢。

杰富意在功能性结构钢方面的相关技术最多，侧重于耐腐蚀钢材的研究，早期技术为直接在钢板上涂覆涂层，后期的防腐技术多为对镀层的进一步处理，尤其是近年来的专利多涉及熔融型镀层方法，如铝锡合金、锌铝镁型、铝锌镁硅等熔融镀钢板。同样，也对抗震钢相关重点技术关注较少，主要是从元素组成、微结构的改变和加工过程的控制来实现抗震。

杰富意在焊接方面技术布局较少，主要包含冷成型矩形钢管的焊接、高热输入焊接、搅拌摩擦焊接、点焊相关技术专利。

3.2 韩国浦项制铁集团公司

成立于1968年的韩国浦项制铁集团公司在该领域的专利申请量占全球申请总量的1.59%。自2002年起在该领域布局多项重点专利技术，大部分聚焦组成结构及加工过程以及抗震防腐功能性相关的研究。在结构钢性能的提升方面主要依靠改变元素组成及微结构，而对加工过程的关注较少。在功能性结构钢技术研发方面，主要关注通过镀层的方法抗腐蚀，涉及抗震结构钢技术较少，通过控制元素组成和加工过程来实现。焊接方法相关技术只涉及焊接接头元素组成等（图5）。

3.3 中国攀枝花钢铁、武汉钢铁以及宝山钢铁

在中国，攀枝花钢铁、武汉钢铁以及宝山钢铁是在建筑结构钢技术研发上最具优势的三家机构。攀枝花钢铁在该领域的重点技术全部与组成结构及加工过程相关，部分技术涉及以耐候耐蚀为主的功能性结构钢的制备，并未涉及焊接方面。武汉钢铁和宝山钢铁的主要技术也都与组成结构、加工过程和功能性结构钢相关，武汉钢铁尤其关注了抗震钢领域。

2014年攀枝花钢铁在该领域申请了第一件专利，从产品形态及功能性来看，2017年之前其专利申请全部为冷轧钢板或热轧钢带相关，2017-2019年为盘条或棒材相关，其中2018-2019年申请的几篇专利为抗震相关，全部为含钒的钢筋，配合后续的加工过程使之具有抗震性能。2019年之后的专利申请全部为耐腐蚀相关，包括热浸镀层锌铝或锌铝镁（CN109897990-A，CN111270230-A）及一系列不同强度、不同成分的耐候钢制备方法（图6）。

武汉钢铁和宝山钢铁在该领域的技术布局早于攀枝花钢铁十多年。武汉钢铁于2000年初申请公开了其第一件专利，是关于热镀锌钢板的制作。2008年之前，武汉钢铁的专利技术基本都与耐候耐蚀相关，2008年之后关注抗震或兼具耐蚀性结构钢/钢筋的技术逐渐增多，直至2017年，专利申请几乎全部涉及抗震钢筋，如钒铬微合金化大规格500 MPa超细晶耐蚀抗震钢筋及其制备方法以及细晶高强抗震防锈蚀钢筋的生产方法等。宝山钢铁在2004年申请了其在该领域的第一件专利，是关于锌或锌合金电镀钢板的表面处理剂。从重点专利分布来看，宝山钢铁的大部分相关专利集中在2006-2015年这10年间，其中涉及组成结构及加工过程的重点专利最多；与功能性相关的专利技术从2000年初直至现在都有所布局；而与抗震和焊接相关的专利相对较少，主要申请于2010年之前。

4 结语

建筑结构钢的研发一直受到全球相关机构的关注，1994年专利申请进入快速发展期，1999年步入成熟期后一直保持较高的年增长量，可以预计未来全球年专利申请量仍然会节节攀升。该领域技术来源国主要分布在亚洲，日中韩的专利数量占到全球份额的80%，日本的表现尤其突出。

中国在该领域的研发起步较晚，但近年来专利申请量增长迅速，不过与国外其他重点企业相比仍存在一定差距。

（1）主要企业技术重点分散，专利优势不突出

该领域排名靠前的中国企业，在申请量、重点专利及涵盖技术领域方面远远不及日本的日本制铁及杰富意钢铁，重要企业的专利技术优势不够突出。日本制铁及杰富意均布局有焊接相关领域的专利，而中国的三家重点企业，除了宝山钢铁的“一种高性能建筑用埋弧焊丝及盘条（CN100455399C）”，近年几乎没有焊接相关领域的专利申请，高强结构钢的焊接技术、焊接材料等开发研究相对滞后，没有形成有效的系统成套技术。

（2）特殊性能建筑结构钢的研发不足

日本制铁、杰富意钢铁等国外知名企业对于功能性结构钢的发展较为广泛，尤其是防腐耐候相关的重点专利中涉及较多，且方法多样，包含镀锌、铝、镁或合金层以及对镀层的进一步处理，国内企业在这方面的专利布局相对较少，技术研发不足。

（3）面向国际市场专利布局有待扩展

同为世界知名企业的日本制铁、杰富意钢铁及韩国浦项制铁，除本国外在其他国家和地区均有相当数量的专利布局，而中国的知名企业中只有宝山钢铁在国外有少量布局，这将不利于产品进入海外市场以及技术在海外市场的保护。

针对以上差距，建议中国建筑结构钢领域加强在以下几个方向的发展。

（1）提高自主研发能力，形成优势力量。与高校及科研机构合作，同时鼓励重视各国同领域知识产权信息，充分利用已过保护期或无效的核心和重点技术专利，提高研发起点，在原有的基础上开展二次创新，尽快形成优势力量。

（2）加强技术、产品及配套工艺等的研发力度，形成特色产业。在保有自己优势产品的同时，积极拓展邻接技术领域，比如配套的焊接材料焊接工艺、更多样化的产品形态以及更多种类功能性结构钢的研发。

（3）积极拓宽国外市场，加强海外专利布局。目前国外来华的专利仍占据很大份额，虽然国内专利申请量在近些年有了突飞猛进的增长，但很少在国际布局专利，应该进一步拓宽自身技术覆盖范围、专利布局范围，放眼全球，积极在海外布局，实现保护技术与争夺市场并行。

此外，基于全球建筑结构钢领域的分析，未来针对该领域的发展还应注重以下几个方向。

（1）加强协同创新，减少建筑对资源和物产需求的消耗，促进多功能环保节能高性能钢的推广及应用。例如重点研发新型钢结构如抗震耐蚀耐火复合结构钢、轻型钢结构、高强度抗震结构用钢、低屈服点结构用钢、耐低温用钢、复合结构建筑钢材等的工程应用，加速新型高性能建筑用钢的研发，同时加强对工程技术人员及施工人员的培训。

（2）适时推进与完善应用评价体系与标准规范体系。针对高性能建筑结构钢的发展，及时提出相应使用条件下的评价依据，建立完整的先进的评价标准体系，提高标准规范质量，完善新型高性能建筑用钢的应用评价体系及标准规范体系。

（3）加快建立多元化建筑结构钢产业链。基于当前环保节约高性能建筑用钢的发展要求，同时从产品、应用技术及经营方式层面上创新，形成线上线下相结合的电子商务生态圈，快速提升建筑结构钢产业的市场营运能力，形成大数据库，达到建筑结构钢生产运营能效提升，能源节约，可持续发展的目的。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

^☆甘肃省知识产权计划项目(20ZSCQ049)

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Published
2023-10-15
Online Date
2023-10-26

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